什麼是 Kubernetes 持久容量？

管理具狀態應用程式的儲存系統是容器調度的關鍵。Kubernetes Persistent Volume（PV) 是解決這項需求的基本功能，它提供了獨立於個別 pod 生命週期管理儲存資源的機制。在這篇文章中，我們將深入探討 Kubernetes Persistent Volume 的概念、其功能，以及在您的 Kubernetes 叢集中有效運用的最佳做法。

什麼是 Kubernetes Persistent Volume？

Kubernetes Persistent Volume（PV) 是 Kubernetes 叢集中的儲存資源，可抽象基礎儲存技術。與與 Pod 生命週期相關的臨時儲存裝置不同，它在 Pod 終止時消失，PVs 提供了一種方法來管理和分配持久性儲存裝置給應用程式。如此可確保即使存取資料的 pod 被終止或重新排程，資料依然完好無損。

持續使用大量資料可帶來以下好處：

• 儲存摘要：PVs 會從 Pod 中隱藏實體儲存的細節（例如，本機磁碟、SAN、雲端儲存）。使用者無需了解具體的實作細節，即可要求儲存。
• 持久性：PVs 即使在重新啟動或重新排程 pod 期間，也能保證資料持久性。想像一下，網路伺服器 Pod 使用終端儲存來儲存臨時日誌。當 pod 重新啟動時，這些日誌會遺失。另一方面，持久性儲存可確保資料如由資料庫 Pod 維護的應用程式資料維持完整。
• 從 pod 解離儲存：這樣的分離功能可提高儲存資源的彈性和控制。Pod 可以輕鬆向上或向下擴充，而不會影響底層儲存設備。

Kubernetes 持久性磁碟區的主要功能

Kubernetes Persistent Volumes 提供多項關鍵功能，使其功能強大且適應各種儲存需求：

儲存類

儲存類別就像範本，定義叢集中可用的不同儲存層或類別。它們可以指定效能（例如 SSD 與 HDD）、容量、耐用性和成本等特性。這讓管理員能夠根據應用程式的特定需求，提供量身訂做的儲存裝置。

存取模式

存取模式定義了 pod 如何與 PV 提供的儲存裝置互動。以下是常見模式的明細：

• ReadWriteOnce（RWO）：一次只能安裝一個具備讀寫權限的 Pod。這可確保需要獨家寫入存取的應用程式的資料完整性，例如主要資料庫複本。
• 唯讀許多（ROX）：多個 Pod 可以同時安裝音量，但只能以唯讀模式安裝。這對於應用程式無需修改即可存取共享資料的情況很有用，例如組態檔案或日誌儲存庫。
• 閱讀WriteMany（RWX）：多個 Pod 可以讀取寫入權限來安裝磁碟區。如果同時寫入多個 pod，由於潛在的資料不一致，因此應謹慎使用此存取模式。它是共用快取或協作編輯工具等特定使用案例的理想選擇。

索回政策

Reclaim 政策規定了 Kubernetes 在不再與 Pod 結合後如何處理 PVs。主要政策包括：

• 保留：PVs 在 pod 解除綁定後仍然存在，允許手動管理，以備未來使用或遷移。
• 回收：Kubernetes 回收 PV。這通常涉及擦除任何現有資料，並使儲存裝置可用於未來的 Pod 分配。
• 刪除：PV 物件及其基礎儲存資源已完全刪除。請謹慎使用，因為可能無法復原資料。
  

磁碟區外掛程式

Kubernetes 利用大量外掛程式來彌補平台與各種儲存供應商之間的差距。這些外掛程式讓 Kubernetes 能夠了解各種儲存後端，並與之互動，包括本地儲存、網路連接儲存（NAS）解決方案，如 NFS 或 iSCSI，以及雲端供應商特定的儲存服務，如 AWS EBS 或 GCE 持續磁碟。此外掛程式架構在選擇儲存解決方案，以及將儲存解決方案與您的 Kubernetes 叢集整合時，提供了極大的彈性。

配置持續容量

Kubernetes 提供兩種主要配置持久性磁碟區（PV）的方法：靜態配置和動態配置。每一種方法都適用於不同的使用案例，並提供獨特的優勢。

靜態配置

在靜態配置中，叢集管理員會事先手動建立並配置 PVs。這種方法對儲存配置提供精細的控制，並適用於具有定義明確的儲存需求，且不會經常變更的情境。若要靜態配置 PV：

1. 定義儲存詳細資料：決定儲存容量、存取模式（ReadWriteOnce、ReadOnlyMany、ReadWriteMany）、回收原則（保留、回收、刪除）和磁碟區外掛程式細節（例如 NFS 的伺服器位址）。

2. 使用 YAML 建立 PV 物件：使用 YAML 資訊清單檔案定義 PV 配置。以下是使用 NFS 儲存裝置的範例：

apiVersion: v1
 kind: PersistentVolume
 metadata:
   name: my-pv-nfs
 spec:
   capacity:
     storage: 10Gi
   accessModes:
     - ReadWriteOnce
   persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
   nfs:
     path: /path/to/nfs/share
     server: nfs-server.example.com

• 名稱：PV 的唯一名稱。
• 儲存：所需的儲存容量（例如 10 GB 的 10Gi）。
• 存取模式：根據您的應用程式需求選擇適當的存取模式。
• persistentVolumeReclaim政策：定義 Kubernetes 在 PV 不受 Pod 束縛後應如何處理。
• nfs.path：NFS 伺服器上 NFS 共用的路徑。
• nfs.server：NFS 伺服器的 IP 位址或主機名稱。

3. 套用 YAML 清單：使用 kubectl apply -f 指令，在您的 Kubernetes 叢集中建立 PV 物件。

動態配置

動態配置運用 StorageClasses 自動建立 PV。管理員定義 StorageClasses，指定想要的儲存特性，讓 Kubernetes 在 PersistentVolumeClaim（PVC）要求儲存時，處理 PV 的建立需求。若要使用動態配置：

1. 定義 StorageClass：建立 StorageClass YAML 資訊清單，說明佈建器、儲存類型（例如 SSD、HDD），以及佈建器所需的任何額外參數。以下是 AWS EBS 的範例：

apiVersion: storage.k8s.io/v1
 kind: StorageClass
 metadata:
   name: standard-ebs
 provisioner: kubernetes.io/aws-ebs
 parameters:
   type: gp2

• 名稱：StorageClass 的唯一名稱。
• 提供程式：儲存設備外掛程式的名稱（例如 kubernetes.io/aws-ebs for AWS EBS）。
• 參數.類型：供應器內的儲存類型（例如，在 AWS EBS 中，一般用途 SSD 磁碟區類型的 gp2）。

2. 套用 StorageClass 清單：使用 kubectl apply -f 在叢集中建立 StorageClass 物件。

將持久容量與 Pod 結合

將 PV 與 pod 結合，讓應用程式能夠利用持久性儲存。這種結合通常透過 PersistentVolumeClaim（PVC達成。

PVC 是 Pod 提交的儲存請求。它說明了 Pod 的儲存需求，包括：

• 存取模式：定義 Pod 如何與儲存設備互動（例如 ReadWriteOnce、ReadOnlyMany、ReadWriteMany）。
• 儲存容量：適合 Pod 的儲存容量。
• StorageClassName（選用）：參考 StorageClass 進行動態配置。

結合 PVs 與 pod 的主要方法有兩種：

• 靜態繫結：在靜態綁定中，管理員手動建立一個 PVC，明確引用預先配置的 PV。PVC 和 PV 必須有相容的屬性，例如相符的存取模式，以及 PV 中的充足儲存容量，以符合 PVC 的要求。
• 動態綁定：動態綁定運用 StorageClasses 自動建立 PV。部署 PVC 參考 StorageClass 的 Pod 時，Kubernetes 會搜尋符合 PVC 要求的合適 PV（根據 StorageClass 現有或新配置）。如果找到合適的 PV，Kubernetes 會自動將 PV 和 PVC 結合在一起。

以下是一個名為 "pod-example" 的 pod 範例，它利用名為 "pvc-example" 的 PVC：

apiVersion: v1
 kind: Pod
 metadata:
   name: pod-example
 spec:
   containers:
   - name: app
     image: nginx
     volumeMounts:
     - mountPath: "/usr/share/nginx/html"
       name: pvc-storage
   volumes:
   - name: pvc-storage
     persistentVolumeClaim:
       claimName: pvc-example

在此範例中，Pod 將名為 "pvc-example" 的 PVC 安裝在容器內的路徑 "/usr/share/nginx/html"。這讓 Pod 能夠存取並管理儲存在底層 PV 中的持久性資料。

管理持久性磁碟區

您必須有效管理持久性磁碟區（PV），才能在 Kubernetes 叢集中維持高效率且可擴充的儲存利用率。PV 管理的一些關鍵方面包括：

1. 調整持久容量

Kubernetes v1.11 帶來了調整 PV 規模的能力。這可讓您動態調整分配給 PV 的儲存容量，以因應不斷成長的應用儲存需求。 

若要調整 PV 的大小，請更新 PVC 的儲存要求：編輯參考 PV 的 PVC，並修改 resources.requests 部分 PVC 的 YAML 規格中的儲存值。例如，若要將名為 "pvc-example" 的 PVC 大小增加至 20Gi 請更新 YAML 資訊清單：

apiVersion: v1
 kind: PersistentVolumeClaim
 metadata:
   name: pvc-example
 spec:
   resources:
     requests:
       storage: 20Gi

一旦您更新了 PVC 的儲存請求，Kubernetes 會嘗試調整為 PV 配置的基礎儲存。調整 PV 規模通常是單向操作（擴充儲存）。由於潛在的資料遺失問題，不支援縮減 PV 的大小。

2. 刪除持續磁碟區

若要刪除 PV，請確保目前 PVC 並未受任何約束。您無法刪除 PV PVC，以防止資料遺失。以下是刪除 PV 的方法：

kubectl delete pv pv-example

以您想要刪除的 PV 實際名稱取代 pv 範例。

3.  更新持續容量

雖然核心儲存容量無法直接在 PV 物件內修改，但您可以更新 PV 的特定中繼資料欄位，例如標籤或註解。這些標籤和註釋可用於更好地組織、識別和管理叢集中的 PVs。

使用 Kubernetes Persistent Volumes 的最佳做法

以下是您應該遵循的最佳做法，以充分利用 Kubernetes 的持久性資料：

• 選擇適當的儲存類別：選擇符合您應用程式效能與耐久性需求的儲存等級。例如，將 SSD 支援的儲存裝置用於高效能應用程式，將 HDD 支援的儲存裝置用於歸檔用途。
• 正確設定存取模式：根據您的應用程式存取儲存所需的方式，為您的 PV 選擇適當的存取模式。例如，您可以將 RWX 用於共用檔案系統，將 RWO 用於單一實例資料庫。
• 明智地實施回收政策：設定符合您資料生命週期管理策略的回收政策。對刪除前需要人工干預的關鍵資料，請使用保留政策。
• 監控與記錄：利用監控與記錄工具來監控 PV 的使用、效能與健康狀況。Prometheus 和 Grafana 等工具可以為您的儲存基礎架構提供寶貴的深度資訊。
• 使用 Portworx® 進行進階資料管理：對於 Kubernetes 中的進階資料管理和持久性儲存解決方案，請考慮使用 Pure Storage 的 Portworx。Portworx 提供高可用性、災害復原和備份等功能，專為容器化應用程式而設計。

結論

Kubernetes Persistent Volumes（PV）為管理具狀態應用程式儲存系統提供了基本機制。利用 PV，您可以確保 Kubernetes 叢集內的資料持久性、高可用性和高效率的儲存利用率。Pure Storage 的 Portworx 等解決方案，提供了直覺式的運用方式，讓您持續運用 Kubernetes 的效能。Portworx 具備高可用性、災害復原和備份等功能，使用人工智慧來提高效率，是容器化應用程式的理想 Kubernetes 持久性儲存解決方案。